CN103415763A - 用于确定液体中悬浮物负荷浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监控液体中的悬浮物负荷浓度的方法，其中，所述方法包括以下步骤：a)收集环境变量，所述环境变量包括：所述液体中深度L处的压力p，所述压力p被收集时所处的液体深度L；提供压力p0的值，所述压力p0是空气压力；b)将所述环境变量写入方程式中；c)由在所述液体中所述深度L处测量的所述绝对压力p来计算所述液体中的所述悬浮物负荷体积浓度。

Description

用于确定液体中悬浮物负荷浓度的方法

技术领域

本发明总体上涉及对液体中的悬浮物负荷浓度进行量化的领域，并且更具体地涉及对处于高浓度的悬浮物负荷进行量化的领域。

背景技术

知道各种敞开的流道中的悬浮沉积物的量是经济上且环境上有益的。当然，在水中运输的颗粒以及附着到其上的污染物是物理、化学和生物损伤的原因。沉积物是影响全世界众多国家的最普遍的污染物之一。敞开明渠流的管理和环境保护需要定量地确定水中悬浮物负荷的量。另外，液体中的悬浮物负荷浓度可以随时间而变化。用于确定悬浮物负荷的传统重量分析技术依赖于样品的直接人工采集并且受众多限制（诸如没有连续监控，依赖于场地通达度、气候条件）影响。存在许多不同的替代方法来用实验方法确定水中的悬浮物负荷的浓度（诸如声学反向散射、块状光学（浊度）、激光衍射、压差、振管（Gray等人，Water Resources Research，2009，45，WooD29））。

在一些条件下，尤其是当悬浮沉积物浓度高时，当前方法可能完全无效或者非常难以实施。通常，当悬浮物负荷的浓度小于0.5%的体积浓度时，已知的方法适于确定悬浮物负荷的低浓度，而当浓度更高时则已知的方法是不适合的。为了避免信号饱和，将需要基于光学的方法（诸如吸光测定法或浊度测定法），在这些浓度下，光学测量长度如此短以致其失去表示实际系统的任何能力。在高悬浮物浓度下，也能出现测量数据的精确度和可靠性的问题。这在现场应用中是特别显著的，在现场应用中，数据读数可能受悬浮物的自然成分（典型地在粒度分布或粒子灰度特性变化的形式下）的影响。后者的缺点在基于浊度的方法中被很好地证明，并且还影响测量的其它原理（Gray等人，Water Resources Research，2009，45，WooD29）。除此之外，紊流状况通常形成难以解释的信号噪声。

US6,687,643公开了用压力传感器测量液体的密度的传感器。所述传感器测量液体中由固定距离限定的两个分开的位置处的压力。装置还包括温度传感器。

现有的用于监控悬浮沉积物浓度的密度法基于压差监控。该差动技术在用于确定玻璃微球的悬浮液的质量浓度的实验室条件下显示出良好精确度（Lewis等人，J.Environ.Qual.，1999，28，1490-1496）。在现场条件下，该技术被试验用来测量水-沉积物混合物的密度（Larsen等人，Proc.Of the 7^th Federal Interagency SedimentationConference，2011）。由于由紊流引起的高噪声水平而难以解释获得的信号。Tollner和共同完成人（Tollner等人，J.Hydraul.Eng.，Dec2005，1141-1144）确认了，基于压差测量监控悬浮沉积物浓度在现场条件下仍不可靠，在现场条件下存在河床形成运动和大的沉积物体。压力测量的上部点需要必须在所有情况下保持浸入的事实还阻止了在以显著的水深变化为特征的环境中（诸如河中）令人满意地实施差动方法。除此之外，选择太有限范围的两个压力传感器之间的竖直距离（目的在于防止上述问题发生）不可避免地具有使得信号的质量和代表性显著变差的影响。

当前的压差方法不能估计河的整个深度的悬浮物负荷浓度，这能导致在整个深度中悬浮物负荷浓度发生空间变化的情况下真实的悬浮物负荷浓度的不精确测量和不确定性。用于悬浮沉积物测量的所有现有方法都遭受一些限制并且不存在用于在所有流动和沉积物运输条件下通用的监控技术。

作为示例，在专利申请EP1167947中，披露了一种压差测量方法。液体的平均密度的测量基于两个浸入的压力传感器之间的压差读数。两个传感器需要被浸入水中。上部传感器必须始终被浸没。另外，压力传感器测量水深的选择的且有限的距离中的压差。这内在地限制了压差方法的灵敏度，这是因为考虑了重流体的有限重量。太局部地测量还降低了信号的代表性，这是因为重粒子的紊流再悬浮是已知的非常空间不均匀的过程。通过这样的方法，真实的悬浮物负荷在水的整个深度中未被估计，并且通常存在于流中的紊流团的噪声特征严重地影响测量的质量和代表性。

悬浮物负荷的压差测量在现场条件下也是不可靠的，在现场存在河床形成运动和大的沉积物体。

需要精确且可靠的数据，以量化液体的整个深度中的悬浮物负荷含量。

发明内容

本发明旨在提供一种用于确定尤其是高浓度下液体中的悬浮物负荷体积浓度的方法。本发明旨在提供基于代替压差测量的绝对压力测量的悬浮物负荷的精确测量。测量可以借助单个浸入压力传感器来执行。每隔一定时间确定悬浮物负荷体积浓度允许检测液体中的高浓度悬浮物质负荷。本发明旨在提供尤其是在例如一些灌渠和具有严重的壤质土侵蚀的河流域中所经历的高浓度范围中、悬浮物负荷体积浓度的连续或半连续定量。

根据本发明的第一方面，表面提供一种用于确定液体中悬浮物负荷体积浓度的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

a)收集环境变量，所述环境变量包括：

所述液体中深度L处的压力p，

所述压力p被收集时所处的液体深度L，以及

提供压力p0的值，所述压力p0是空气压力，

b)将所述环境变量写入方程式，

c)计算液体中悬浮物负荷体积浓度。空气压力p0可以是液体上方的压力或大气压力。在液体上方占优的恒定的大气压力条件的情况下能省略压力p0的测量。然后，大气压力的已知值可以用于本方法的步骤b)和c)。

在优选实施方式中，液体中悬浮物负荷体积浓度由本方法（的步骤c）的在液体的深度L处测量的绝对压力p计算。

因此，用于确定悬浮物负荷体积浓度的本方法包括以下步骤：

a)收集环境变量，所述环境变量包括：

所述液体中深度L处的绝对压力p，

所述压力p被收集时所处的液体深度L，以及

提供压力p0的值，所述压力p0是空气压力，

b)将所述环境变量写入方程式中，

c)由在液体中深度L处测量的绝对压力p计算液体中的悬浮物负荷体积浓度。本方法允许测量其中液位变化的环境条件下的悬浮物负荷体积浓度。本方法允许借助单个压力传感器来实现这种测量，从而避免压力传感器留在液体外的风险。事实上，当使用基于压差的方法时，需要两个压力传感器并且两个传感器应该保持浸入液体中。这在液位因自然水文循环或人为干预而频繁变化的环境条件下是不相容的。本方法基于液体中的深度L处的绝对压力p的单次测量。仅该被浸入的单个传感器对提供悬浮物负荷浓度的可靠且精确的测量来说是必不可少的。本发明的所述浸入压力传感器可以设置在液体的任何深度L处。所述浸入压力传感器能浸没得非常低，从而具有作为最终上边界的自由表面。这样利用单个传感器已提供了几乎理想的整合（integration）深度，该单个传感器被限定成在灵敏性和代表性方面是较好的。不具有更接近水面的第二传感器还防止了该第二传感器被急流带走或者被碎片或漂浮物无法正常工作和破坏的风险，如在压差方法中可能发生的。

在优选实施方式中，所述液体上方的空气压力p0作为环境变量被收集。压力p0的值可以在液体上方被测量并且进一步被写入本发明的方法的方程式中（步骤b）。液体上方压力p0的测量还允许提高本方法的精度。

因此，在优选实施方式中，本方法包括以下步骤：

a)收集环境变量，所述环境变量包括：

所述液体上方的空气压力p0，

所述液体中深度L处的绝对压力p，

所述压力p被收集时所处的液体的深度L，

b)将所述环境变量写入方程式中，

c)由在步骤a)中测量的液体的深度L处的绝对压力p来计算液体中的悬浮物负荷体积浓度。

本方法还包括收集所述液体的温度T的步骤。用于确定悬浮物负荷的体积浓度的本方法基于物理参数的测量，以允许半连续或连续监控悬浮物负荷体积浓度。具体地，所述方法适于即使在液体中这样的负荷的高浓度下也能够确定悬浮物负荷的体积浓度。尤其是，该方法可以确定液体中的悬浮物负荷体积浓度，其中悬浮物负荷质量浓度测量范围从5kg/m³到100kg/m³。本方法可以用于高度变化的水深环境。本方法可以允许精确地确定悬浮物负荷。本方法提供新的悬浮物负荷体积浓度测量工具。具体地，液体可以是水、油或其衍生物。液体可以在敞开的明渠流、河口、河、工业管道、灌渠、城市管道、沉淀池、沉降池、池、水库或任何其它液体容器中。

通过本发明的方法，可以获得悬浮物负荷的高分辨率时间记录。该方法允许利用单个浸入的压力传感器记录液体的整个深度的悬浮物负荷浓度。例如，悬浮物负荷可以是悬浮粒子。例如，悬浮物负荷可以是沉积物（诸如，细石英砂）。

根据本发明的第二方面，提供用于测量悬浮物负荷体积浓度的成套部件。所述成套部件包括：能够测量液体中深度处的绝对压力p的第一压力传感器；能够测量自第一压力传感器往上的液体的深度L液体深度探测器；以及软件。所述第一压力传感器是浸入式传感器。所述第一压力传感器构造成设置在所述液体中的深度L处。

还可以提供能够测量所述液体上方的压力p0的第二压力传感器。所述第二压力传感器构造成留在液体外。

所述成套部件还可以包括能够测量液体中的温度T的温度传感器。所述成套部件还包括数据管理系统。所述数据管理系统包含数据获得系统（诸如数据记录器）。数据管理系统可以包括处理器、编码存储器、以及联接至处理器一个或多个程序。数据管理系统可以构造成执行所述软件。所述软件可以构造成执行本方法。因此，所述软件可以构造成：

-收集由第一压力传感器、液体深度探测器和可选地留在液体外面的第二压力传感器、以及可选的温度传感器提供的环境变量的测量值，

-将所述测量值写入方程式中，

-计算和显示所述悬浮物负荷体积浓度。

悬浮物负荷体积浓度可以由在液体中深度L处测量的绝对压力p计算。运行软件的数据管理系统可以恒定地获得环境变量。另选地，数据管理系统可以存储或记录在整合时间周期获得的所有环境变量，以便能够以后处理模式来处理观测记录。在环境变化影响成套部件时（例如，即刻恶化其中一个传感器的信号的质量，但是不影响信号的质量时）考虑该另选方案。

根据本发明的第三方面，提供一种用于测量液体中的悬浮物负荷体积浓度的设备。所述设备包括：用于测量所述液体的深度L处的压力p的第一压力传感器；用于测量深度L的液体深度探测器，在深度L处，所述第一压力传感器收集所述压力p；可选地用于测量所述液体中的温度T的温度传感器；还可选地用于测量所述液体上方的压力p0的第二压力传感器；软件；以及能够执行所述软件的数据管理系统，所述软件被编程为：

-收集由所述第一压力传感器、所述液体深度探测器和可选的所述第二压力传感器、以及可选的所述温度传感器提供的环境变量的测量值，

-将所述测量值写入方程式中，

-计算和显示所述悬浮物负荷体积浓度。所述软件可以由在液体中的深度L处测量的绝对压力p来计算悬浮物负荷体积浓度。所述第一压力传感器可以设置在液体中的深度L处。所述第一压力传感器是浸入式压力传感器。所述第二压力传感器可以设置在液体上方或外面。所述液体深度探测器可以设置在液体上方。所述液体深度探测器可以是超声探测器或雷达探测器。

测量悬浮物负荷的体积浓度的设备提供所述液体中的液体深度L的值的即时测量。因此如果像通常在环境和过程监控中的情况一样液体深度变化必须也被记录，则不必添加其他湖泊学度量（limnimetric）技术。

附图说明

图1表示根据本发明的实施方式的用于收集和监控悬浮物负荷体积浓度的系统的示意图。

图2a是在一段时间内以m³/m³为单位的悬浮物体积浓度（动态条件）的图示。

图2b是在池中在静态条件下观测的对已知的悬浮沉积物条件浓度的图示。

图3表示钻管的示意图，在所述钻管中可设置压力传感器和温度传感器。

具体实施方式

根据第一方面，本发明涉及用于确定液体中的悬浮物质负荷体积浓度的方法，其中所述方法包括以下步骤：

a)收集环境变量，所述环境变量包括：

所述液体中深度L处的绝对压力p，

所述压力p被收集时所处的液体深度L，以及

提供压力p0的值，所述压力p0是空气压力，

b)将所述环境变量写入方程式中，

c)由在液体中深度L处测量的绝对压力p计算液体中的悬浮物负荷体积浓度。

如本文所使用的术语“环境变量”是指被测量且为获得悬浮物负荷的精确体积浓度所必须的参数。

本方法使用基于精确绝对压力测量的密度计技术，以用于产生悬浮物负荷的高分辨率时间记录。该方法可以适于监控高浓度下的悬浮物负荷体积浓度。该方法可以适于在由非常细小的粒子形成浊度时以高精度追踪非常浑浊的水。非常细小的粒子可以是粘土和淤泥，或者工业上所关心的其它粒子。浓度越高，本方法的精度越高。

体积浓度可以转变成液体中悬浮物负荷的相应质量浓度。所述质量浓度可以通过所述体积浓度与所述悬浮物负荷的密度相乘计算得到。悬浮物负荷的质量浓度可以以kg/m³来为单位。悬浮物负荷中的所述质量浓度的范围可以从0.25kg/m³到1000kg/m³。更优选地，悬浮物负荷中的所述质量浓度的范围可以从5kg/m³到100kg/m³。

该方法包括测量在液体的深度处的压力。在液体的深度处测量的压力被记录为“p”并且是绝对压力。液体可以是处于容器中或者在敞开渠中被运输。优选地，液体中的压力可以在接近渠的深度处或容器底部被测量，而不妨碍该液体。压力p可以由第一压力传感器测量。第一压力传感器可以是具有高于0.2%的FS的精度的任何类型的已知压力传感器。术语“FS”意味着满刻度。优选地，第一压力传感器可以是压电类型的。

该方法包括第一压力传感器上方的液体深度的测量。液体深度的测量可以借助超声探测器来确定。另选地，液体深度的测量可以借助雷达探测器来确定。液体深度的测量值被记录为“L”。液体深度探测器可以固定在液体外。另选地，液体深度探测器可以与第一压力探测器相邻地固定。

该方法可以包括确定可以为液体上方的压力或大气压力的空气压力。这样的确定能通过任何已知的方法来进行。在优选实施方式中，该方法可以包括液体上方的压力的测量。液体上方测量的压力记录为“p0”。在更优选的实施方式中，液体上方的压力可以是周围大气压力。压力p0可以由第二压力传感器测量。所述第二压力传感器能是任何类型的已知压力传感器。液体上方测量的压力p0用于校正，从而允许得到悬浮物负荷浓度的更精确的值。在液体上方的恒定压力状况的情况下，空气压力的已知值足以成功地执行本方法。因此，可以省略液体上方的空气压力的测量。然而，空气压力p0的值应该被写入方程式中以便获得悬浮物负荷体积浓度。在所述液体上方的变化压力状况的情况下，监控压力值p0并且将该值写入方程式中使得能够更精确地测量。

该方法可以包括所述液体的温度测量。液体的温度可以被测量以确定在所述温度下液体的密度。温度的测量被记录为“T”。温度传感器能是任何已知温度传感器。温度可以由热敏电阻或热电偶原理测量。优选地，所选择的温度测量原理是已经在如关于第一压力传感器和第二压力传感器描述的可浸入高性能压力传感器中实施和内置的。优选地，温度传感器是浸入液体中的热电偶。温度传感器可以设置在距第一压力传感器的任何距离处。优选地，温度传感器和第一压力传感器定位成彼此靠近。

连续的两组测量之间的时间分辨率可以是非常短的。在一个实施方式中，为了避免在液体处于动态系统中（像明渠流）时悬浮物负荷的不精确测量，可以在适于整合的一段时间（即，整合时间周期）内测量环境变量。整合时间周期可以是至少30秒。优选地，整合时间周期可以是1分钟。另选地，整合时间周期可以大于1分钟。写入方程式中的每个环境变量的值可以是在整合时间周期内收集的值的线性平均值。在动态系统中，悬浮物负荷浓度可以被半连续地监控。在另一实施方式中，当液体处于静态系统中时，每个环境变量的值可以是由传感器和/或探测器收集的单个值。优选地，本方法的步骤a）至c）可以以至少30秒（优选地1分钟）的时间间隔重复。在静态系统中，悬浮物负荷浓度可以被连续监控。因此，本方法能够跟踪悬浮物负荷的倾析。

该方法可以与所述压力p的测量同时提供自第一压力传感器往上的深度L的测量。液体中的压力p随液体的深度L变化。通过同时收集液体中的液体的深度L和压力p、并且补偿周围空气压力的变化，可以以优良的精度来计算悬浮物负荷体积浓度。

利用先前测量的环境变量监控悬浮物负荷的体积浓度。悬浮物负荷的体积浓度可以根据下述方程式（I）来计算：

$\mathrm{Cv}=\frac{\mathrm{\ρw}}{\mathrm{\ρs}-\mathrm{\ρw}}(\frac{p-p0}{\mathrm{gL\ρw}}-1)$

(I)

其中，

L是所述压力p被收集时所处的深度，以m为单位；

p是所述液体中深度L处的压力，以Pa为单位；

p0是空气压力，以Pa为单位；

g是重力加速度，以m/s²为单位；

C_V是悬浮物负荷体积浓度，以m³/m³为单位；

ρs是所述悬浮物负荷的密度，以kg/m³为单位；

ρw是所述液体在温度T下的密度，以kg/m³为单位；

优选地，ρs可以是悬浮沉积物密度。更优选地，如果悬浮沉积物是石英砂，则ρs是2650kg/m³，这是石英的密度。如果悬浮物负荷特性是未知的，则ρs可以被视为等于2500kg/m³。另选地，ρs可以由已知的过程来确定。

质量浓度C_W可以由以下方程式（II）获得：

Cw=Cv×ρs  (II)

其中，

C_W是悬浮物负荷质量浓度，以kg/m³为单位；

Cv是悬浮物负荷体积浓度，以m³/m³为单位；

ρs是悬浮物负荷密度，以kg/m³为单位。

压力p0可以被视为环境常数，像介质周围大气压力。压力p0也可以被视为环境变量并且在深度L和压力p测量期间借助放置在液体上方的压力传感器被监控。

液体密度ρw是略微随温度而变的。液体中的温度可以被测量以便更确切地确定液体的密度。液体密度ρw可以根据下述方程式（III）来计算：

$\mathrm{\ρw}\left(T\right)=\frac{\mathrm{\ρw}\left(T0\right)}{1+\mathrm{\β}(T-T0)}$

(III)

其中，

ρw(T)是所述液体在温度T下的密度，以kg/m³为单位，

ρw(T0)是所述液体在已知温度T0下的参考密度，以kg/m³为单位，

β是液体的体积热膨胀系数，以℃^-1为单位；

T是液体的温度，以℃为单位；

T0是液体的已知参考密度所处的温度，以℃为单位。T0可以是任何温度，这是因为ρw(T0)是已知的。

β是随温度而变的。β可以利用已知方法通过实验测定来确定。β可以在本领域已知的参考化学性质表中找到。

另选地，β可以由允许得到β值的优化精度的方程式来计算。

当液体是水时，以℃^-1为单位的β可以利用下述方程式（IV）来计算：

β＝10^-6(-62.67914+15.84576T-0.11758T²)

(IV)

其中，

T是水温，以℃为单位。

例如，当液体是水并且温度T=20℃时，β可以是0.000207℃^-1。

当液体不是水时，必须使用另一方程式以便确定β的准确值。

在其中液体可以具有高盐度的应用（工业盐水或河口环境）中，该方法可以通过局部测量导电率来补充，这允许说明可能由存在很大数量的溶解离子引起的密度变化。导电率可以在测量压力p的深度L处被测量。因此，液体中悬浮物负荷的体积浓度可以可选地根据下述方程式（V）来计算：

$\mathrm{Cv}=\frac{\mathrm{\ρw}\left(T\right)}{\mathrm{\ρs}-\mathrm{\ρw}\left(T\right)}(\frac{p-p0}{\mathrm{gL\ρw}\left(T\right)}-\mathrm{Cvsalt}\frac{\mathrm{\ρsalt}-\mathrm{\ρw}\left(T\right)}{\mathrm{\ρw}\left(T\right)}-1)$

(V)

其中，

L是所述压力p被收集时所处的深度，以m为单位；

p是所述液体中深度L处的压力，以Pa为单位；

p0是所述液体上方的压力，以Pa为单位；

g是重力加速度，以m/s²为单位；

C_V是悬浮物负荷体积浓度，以m³/m³为单位；

Cvsalt是溶解盐体积浓度，以m³/m³为单位；

ρs是所述悬浮物负荷的密度，以kg/m³为单位；

ρsalt是盐的密度，以kg/m³为单位；

ρw(T)是所述液体在温度T（以℃为单位）下的密度，以kg/m³为单位。

Cvsalt和ρsalt是环境变量或环境常数。

ρsalt可以在本领域中已知的参考化学性质表中找到。

Cvsalt和ρsalt可以利用已知的方法来计算。例如，Cvsalt可以由在液体中测量的导电率用实验方法来确定。在该情况下，电导探针可以添加在第一压力传感器旁边。将测量的导电率转变成值Cvsalt可能依赖于假定有效地存在占优的盐。在盐水成分或河口水中有效占优的盐可以是NaCl。标准的明渠应用通常可以忽视溶解盐的效果而处理。

在优选实施方式中，悬浮物负荷体积浓度可以以实时方式被监控。所述浓度可以被连续或半连续地监控。

如前所提及的，本发明的方法可以被执行以监控液体中的悬浮物负荷的体积浓度。所述液体可以在明渠流、河口、河、工业管道、灌渠、城市管道、沉淀池、沉积池、池、水库或任何其它液体容器中。优选地，所述液体可以在敞开流道中。优选地，所述液体可以是水、油、其混合物或衍生物。所述衍生物可以是来自油裂化的液体残余物。更优选地，所述液体可以是水。

例如，形成数学模型以控制方法的适用性（图2a）。黑正方形与相应的竖直误差棒一起表示由本申请的方法确定的Cv。连续曲线表示在时间周期期间Cv的精细变化的数值模拟。图2a中所绘的结果利用具有0.025%的FS（满刻度）的精度的浸入式压力传感器获得。注意到，目前，具有比较高精度（0.010%的FS）的压力传感器已经以合理的价格在市场上被提出。使用这些现代的、较高性能的压力传感器将因此允许甚至进一步减小在曲线图中表示的竖直误差棒。图2a因此提供当实施新的悬浮物监控方法时当前能获得的保守的估计。

用于确定悬浮沉积物体积浓度的本方法还应用于静态条件下（诸如池中）。在实验室条件下执行试验。第一压力传感器浸入在与2.50m深的池的底部距离0.27m处。水位被外部测量并且保持恒定在2.00m。液体上方的压力和液体的温度是已知的并且在试验期间保持恒定。图2b表示在这些试验条件下观测的对比已知的悬浮沉积物体积浓度。利用绝对压力测量观测到干燥物质（2710kg/m³的密度）的六个不同的、已知的体积浓度。结果显示测量的十分线性的轮廓，这表明本方法对于确定液体中的悬浮沉积物体积浓度是有效的。观测到的微小的偏差是由于相对低的体积浓度。事实上，结果可能受压力传感器和液体深度探测器的精度的影响。在较高的悬浮沉积物浓度下，偏差将不太显著。

根据本发明的第二方面，提供用于测量悬浮物负荷体积浓度的成套部件。所述成套部件包括能够设置在液体的深度L处并且能够测量在液体中所述深度L处的绝对压力p的第一压力传感器11、能测量第一压力传感器11上方的液体的深度L的液体深度探测器8以及能够执行本发明的方法的软件。

所述成套部件还可以包括能够测量所述液体上方的压力p0的第二压力传感器7。

所述成套部件还可以包括能够测量液体中温度T的温度传感器12。

所述成套部件还可以包括数据管理系统10。所述数据管理系统10可以包括处理器以及编码联接到处理器的一个或多个程序的存储器。另外，所述数据管理系统10可以构造成执行软件。所述软件可以被编程以执行下列步骤：

-收集由所述第一压力传感器11、所述液体深度探测器8和可选地所述第二压力传感器7和/或所述温度传感器12提供的环境变量的测量值，

-将所述测量值写入方程式中，

-计算并显示所述悬浮物负荷体积浓度。

液体深度探测器可以设置在液体上方。另选地，液体深度探测器可以设置在液体的表面处。优选地，所述液体深度探测器可以是设置在水流外的超声探测器或者雷达探测器或图像分析探测器。在外部设置该探测器可以减小高浓度条件下探测器损坏或结垢的风险。

可选地，所述成套部件可以包括用于测量液体的导电率的探测器。因为大多数导电率探测器也测量温度，因此该选项可以允许消除对单独的温度计12的需要。

另选地，可以提供包括多个第一压力传感器11和多个温度传感器12的组件。因此，可以在液体中的各个点或深度处监控浓度。

根据本发明的另一方面，本发明的成套部件可以用于执行用于监控悬浮物负荷体积浓度的本方法。

图1示出了用于收集和监控容器3中的液体2（诸如水）中的悬浮物负荷体积浓度的设备1的示意图。例如，容器3可以是敞开的流道、河床或水库。液体温度可以由温度计12来测量。液体中的压力p可以由第一压力传感器11收集。优选地，第一压力传感器11和温度传感器12可以设置在相同深度处，彼此靠近。更优选地，第一压力传感器和温度传感器可以设置在测量装置4内。液体上方的压力p0可以由第二压力传感器7收集。测量装置4可以包括用于接地的装置6。所述用于接地的装置6确保液体2中的测量装置4的稳定性。所述用于接地的装置可以是固定到支承件9或配重上的电缆。所述支承件9可以是悬于液体之上的元件。所述支承件可以是固定到容器3的顶部上的桥部或元件。液体深度的测量值可以借助超声探测器8来收集。在一个实施方式中，所述超声探测器8确定所述超声探测器8和液体之间的高度L1。电缆6具有长度L2。液体深度L通过从L2减去高度L1来确定。超声探测器8和第二压力传感器7可以固定到水平支承件9上。在图3表示的本发明的优选实施方式中，包括第一压力传感器11和温度传感器12的所述测量装置4可以悬挂在竖直管5内，该竖直管具有每隔一定间隔钻进其的孔，以便减小紊流对第一压力传感器11的影响。在优选实施方式中，竖直管5的上侧每隔一定间隔被钻进，并且竖直管在测量装置下方的下侧被网围住像格网一样以便排出将倾泻在竖直管5内的过量的沉积物。测量装置4被靠近液体床放置。测量装置4的下部14和容器3的底部之间的距离是L’。所述距离L’的范围可以从1到50cm，优选地从5到30cm。第一压力传感器11和温度传感器12与数据管理系统10通信或连接至数据管理系统10。此外，所述数据管理系统10还连接第二压力传感器7以及与液体深度探测器（诸如超声探测器）8或者与第二压力传感器7以及与液体深度探测器8通信。所有的探测器可以装配到相应的调节单元。调节单元的作用是执行信号的必要的放大和主级滤波，以及向传感器提供电力。

另选地，可以提供包括多个测量装置4的组件。因此，可以在液体中的各个点或深度处监控浓度。每个测量装置均可以独立地与数据管理系统10通信。可以针对每个测量装置独立地执行用于确定悬浮物负荷体积浓度的方法。所述组件还可以包括一个或多个液体深度探测器8。所述组件还可以包括一个或多个主级压力传感器11以便减小由强烈地的湍流的动态效应产生的偏压。所述一个或多个第一压力传感器11可以在液体中设置在相同的深度处。所述一个或多个第一压力传感器11中的每个传感器测量绝对压力p。由每个第一压力传感器测量的每个绝对压力的平均值用于本方法中。

示例

示例1

本方法被执行以监控或确定河中沉积物的体积浓度。第一压力传感器被悬挂在管中以便定位在河床附近，在河床处将测量悬浮的沉积物体积浓度。温度传感器也被悬挂在管中，并且紧邻第一压力传感器定位。液体深度探测器固定在第一压力传感器和温度传感器上方的桥上。第二压力传感器紧邻液体深度探测器定位。

三个传感器和探测器连接至数据管理系统。在测量液体中的悬浮物负荷浓度之前，可以输入方程式中所使用的环境常数。环境常数是最大预期水深（允许调谐压力变换器的电子增益以提高测量精度），悬浮物负荷密度以及已知温度下的参考水密度。使用者将环境常数以及测量的周期（例如30秒）输入由数据管理系统执行的软件中。然后，由数据管理系统执行的软件记录30秒期间的环境变量（p；p0；L；T）。数据管理系统计算在该时间段内所述变量的平均值。最后，由数据管理系统执行的软件将所计算的平均值输入如先前描述的方程式中。显示悬浮沉积物浓度。

示例2

本方法被执行以监控池中的沉积物浓度或者池中所容纳的液体的密度。第一压力传感器固定在池的底部上，在该底部将测量悬浮沉积物体积浓度。温度传感器紧邻第一压力传感器固定。液体深度探测器固定在池顶下方，并且在第一压力传感器和温度传感器上方。第二压力传感器紧邻位于池顶下方的液体深度探测器定位。

三个传感器和探测器连接至数据管理系统。在测量液体中的悬浮物负荷体积浓度之前，可以计算用于计算的环境常数。环境常数是悬浮物负荷密度、已知温度下的参考液体密度。使用者将环境常数输入由数据管理系统执行的软件中。由于系统的非动态状态，因此不需要收集一段时间内的环境变量。然后，数据管理系统以实时方式收集并记录环境变量（p；p0；L；T）。最后，数据管理系统将环境变量输入方程式中以计算和显示悬浮沉积物浓度。

本文所使用的术语和描述仅通过示例来阐述并且不意味着限制。本领域技术人员将认识到，在如下列权利要求和它们的等同要求所限定的本发明的精神和范围内的许多变型是可能的，其中所有术语将以其最宽泛的可能意义被理解，除非另有陈述。结果，在阅读和理解本发明的在先描述之后，本领域技术人员将想到所有的修改和改变。具体地，在上面的描述中给出的尺寸、材料和其它参数可以根据应用的需要而变化。

Claims (16)

1.一种用于确定液体中的悬浮物负荷体积浓度的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

a)收集环境变量，所述环境变量包括：

所述液体中深度L处的绝对压力p，

所述压力p被收集时所处的液体深度L；

提供压力p0的值，所述压力p0是空气压力，

b)将所述环境变量写入方程式中，

c)由在所述液体中所述深度L处测量的所述绝对压力p来计算所述液体中的所述悬浮物负荷体积浓度。

2.根据权利1所述的方法，其中，提供压力p0的值的步骤通过测量所述液体上方的压力来执行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述悬浮物负荷体积浓度根据下述方程式来计算：

$\mathrm{Cv}=\frac{\mathrm{\ρw}}{\mathrm{\ρs}-\mathrm{\ρw}}(\frac{p-p0}{\mathrm{gL\ρw}}-1)$

其中，

L是所述压力p被收集时所处的深度，以m为单位；

p是所述液体中深度L处的绝对压力，以Pa为单位；

p0是空气压力，以Pa为单位；

g是重力加速度，以m/s²为单位；

CV是悬浮物负荷体积浓度，以m³/m³为单位；

ρs是所述悬浮物负荷的密度，以kg/m³为单位；

ρw是所述液体在温度T下的密度，以kg/m³为单位。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述液体的温度T被收集并且所述液体的密度根据下述方程式来计算：

$\mathrm{\ρw}\left(T\right)=\frac{\mathrm{\ρw}\left(T0\right)}{1+\mathrm{\β}(T-T0)}$

其中，

ρw(T)是所述液体在温度T下的密度，以kg/m³为单位，

ρw(T0)是所述液体在已知温度T0下的密度，以kg/m³为单位，

β是液体的体积热膨胀系数，以℃^-1为单位；

T是液体的温度，以℃为单位；

T0是所述液体的已知参考密度所处的温度，以℃为单位。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述液体是水并且所述体积热膨胀系数根据下述方程式来计算：

β=10^-6(-62.67914+15.84576T-O.11758T²)

其中，

T是水的温度，以℃为单位。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，溶解物负荷体积浓度根据下述方程式来计算：

$\mathrm{Cv}=\frac{\mathrm{\ρw}\left(T\right)}{\mathrm{\ρs}-\mathrm{\ρw}\left(T\right)}(\frac{p-p0}{\mathrm{gL\ρw}\left(T\right)}-\mathrm{Cvsalt}\frac{\mathrm{\ρsalt}-\mathrm{\ρw}\left(T\right)}{\mathrm{\ρw}\left(T\right)}-1)$

其中，

L是所述压力p被收集时所处的深度，以m为单位；

p是所述液体中深度L处的压力，以Pa为单位；

p0是所述液体上方的压力，以Pa为单位；

g是重力加速度，以m/s²为单位；

CV是悬浮物负荷体积浓度，以m³/m³为单位；

Cvsalt是悬浮盐体积浓度，以m³/m³为单位；

ρs是所述悬浮物负荷的密度，以kg/m³为单位；

ρsalt是盐的密度，以kg/m³为单位；

ρw(T)是所述液体在以℃为单位的温度T下的密度，以kg/m³为单位。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，从所述悬浮物负荷体积浓度获得的悬浮物负荷质量浓度在从0.25kg/m³到1000kg/m³的范围内。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述步骤a)至c)能以至少30秒的时间间隔重复进行。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当所述液体处于明渠水流、河口、河、工业管道、灌渠、城市管道、沉淀池、沉降池、池、水库或者其它液体容器中时，执行所述方法。

10.一种用于测量液体中的悬浮物负荷浓度的设备，所述设备包括：

-第一压力传感器（11），该第一压力传感器设置在所述液体中的深度L处并且能够测量所述液体中所述深度L处的绝对压力p，

-液体深度探测器（8），该液体深度探测器设置在所述液体的上方并且能够测量自所述第一压力传感器（11）往上的液体深度L，以及

-可选的第二压力传感器和/或温度传感器，该第二压力传感器用于测量所述液体上方的压力p0，

-软件，该软件被编程成：

a)收集由所述第一压力传感器（11）、所述深度测量装置（8）、可选的所述温度传感器（12）和设置在所述液体上方的所述第二压力传感器提供的环境变量的测量值，

b)将所述测量值写入方程式中，

c)由在所述液体中所述深度L处测量的所述绝对压力p来计算和显示所述悬浮物负荷浓度，

-能够执行所述软件的数据管理系统（10），所述第一压力传感器（11）、所述液体深度探测器（8）以及可选的所述第二压力传感器和温度传感器都连接至所述数据管理系统。

11.一种用于测量液体中的悬浮物负荷体积浓度的成套部件，所述成套部件包括：

-第一压力传感器（11），该第一压力传感器能够设置在所述液体中的深度L处并且能够测量所述液体中所述深度L处的绝对压力p，

-液体深度探测器（8），该液体深度探测器能够测量自所述第一压力传感器（11）往上的液体深度L，

-可选的第二压力传感器（7），该第二压力传感器能够测量所述液体上方的压力p0，

-软件，该软件能够执行根据权利要求1至9中的任一项所述的方法。

12.根据权利要求11所述的成套部件，该成套部件还包括能够测量液体中的温度T的温度传感器（12）。

13.根据权利要求11或12所述的成套部件，该成套部件还包括数据管理系统（10）。

14.根据权利要求13所述的成套部件，其特征在于，所述数据管理系统（10）包括处理器、以及对联接至所述处理器的一个或多个程序进行编码的存储器。

15.根据权利要求13或14所述的成套部件，其中，所述数据管理系统（10）构造成执行所述软件，以便：

a)收集所述第一压力传感器（11）、所述液体深度探测器（8）、以及可选的所述第二压力传感器（7）和/或所述温度传感器（12）的测量值，

b)将所述测量值写入方程式中，以及

c)计算并显示所述悬浮物负荷浓度。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的成套部件，其中，所述液体深度探测器（8）是超声波探测器或雷达探测器。

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